CN104251757B - 高整体性过程流体压力探头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种过程流体压力测量探头，所述过程流体压力测量探头包括压力传感器，所述压力传感器由单晶材料形成并安装到第一金属过程流体屏障并被设置成用于与过程流体直接接触。压力传感器具有随着过程流体压力而改变的电气特征。馈通由单晶材料形成并具有从第一端部延伸到第二端部的多个导体。馈通安装到第二金属过程流体屏障并与压力传感器间隔开但电连接到压力传感器。压力传感器和馈通被安装成使得第二金属过程流体屏障通过第一金属过程流体屏障与过程流体隔离。

Description

高整体性过程流体压力探头
背景技术
工业过程控制系统用于监测和控制用于生产或输送流体等的工业过程。在这种系统中，通常重要的是测量诸如温度、压力、流量及其它的“过程变量”。过程控制变送器测量这种过程变量并将与测量的过程变量有关的信息发送回到诸如中央控制室的中央位置。
一种类型的过程变量变送器是测量过程流体压力并提供与测量的压力有关的输出的压力变送器。这种输出可以是压力、流量、过程流体的液位、或可以由测量的压力得出的其它过程变量。压力变送器被构造成将与测量压力有关的信息发送回到中央控制室。通常通过二线式过程控制回路提供所述发送，然而，有时使用其它通信技术。
通常，压力通过某些过程联结器耦合(couple)到过程变量变送器。在许多情况下，变送器的压力传感器通过隔离流体或通过与过程流体的直接接触以流体连通的方式联接到过程流体。过程流体的压力使压力传感器产生物理变形，这使压力传感器产生诸如电容或电阻的相关电变化。
压力屏障是容纳过程流体压力的机械结构。因此，压力屏障是过程流体压力测量系统的关键要求。为了提供一种安全且稳固的系统，一些制造商提供冗余的压力屏障。因此，如果主屏障失效，过程流体仍然可被辅助屏障容纳。
用于压力测量的一种尤其有挑战的环境是具有非常高的工作压力的应用。一种这样的应用是海底环境。在这种应用中，过程设备被暴露给的静压力可能非常高。此外，过程流体可能会腐蚀许多公知的金属。例如，当前正在考虑需要20,000psi(磅/平方英寸)的最大工作压力(MWP)的一些海底应用。由于需要20，000psi的MWP，制造验收标准通常要求位于这种环境中的压力传感器的压力屏障承受2.5倍的最大工作压力。因此，在这种应用中的压力屏障将需要能经受50,000psi的压力。压力屏障的设计准则的重要之处在于所述压力屏障确保过程的整体性。具体地，如果一个或多个压力屏障失效，则过程流体可能进入环境中。这是非常不期望的，这是因为过程流体可能会燃烧或甚至爆炸，或可能会通常导致环境污染。因此，对于海底应用来说，理想的是在过程流体与海水之间或在过程流体与过程流体压力变送器的电子隔室之间提供两个压力屏障。
发明内容
一种过程流体压力测量探头包括压力传感器，所述压力传感器由单晶材料形成并安装到第一金属过程流体屏障且被设置成与过程流体直接接触。压力传感器具有随着过程流体压力而改变的电气特征。馈通由单晶材料形成并具有从第一端部延伸到第二端部的多个导体。馈通安装到第二金属过程流体屏障并与压力传感器间隔开但电连接到所述压力传感器。压力传感器和馈通被安装成使得第二金属过程流体屏障通过第一金属过程流体屏障与过程流体隔离。
附图说明
图1是本发明的实施例具体使用的单晶压力传感器的图解立体图；
图2是在环境中使用的具有一对压力屏障的单晶压力传感器的图解视图；
图3是根据本发明的一个实施例的高压、高整体性过程流体压力探头的图解视图；
图4是根据本发明的一个实施例的用作辅助压力屏障的单晶馈通(feedthrough)的图解视图；
图5是根据本发明的一个实施例的联接到压力变送器的高压、高整体性单晶过程流体压力探头；
图6是根据本发明的一个实施例的高压、高整体性过程流体压力流体探头的图解分解图；以及
图7是根据本发明的实施例的高压、高整体性过程流体压力探头的横截面图解视图。
具体实施方式
压力屏障可以具有各种形式。例如，过程隔离膜片通常作为主压力屏障很好地工作。此外，远程密封毛细管系统可以是有效的辅助屏障。玻璃或陶瓷集水管允许有效的电连接同时还提供有用的压力屏障。最后，压力传感器本身可以被设计成容纳压力并因此用作压力屏障。
如上所述，压力屏障在过程流体压力测量中极其重要，这是因为所述压力屏障确保过程流体的整体性。然而，压力屏障产生许多问题。这种问题包括成本、复杂性、尺寸、可靠性、和顺从性。
为了有效地访问海底环境，必须考虑许多设计准则。可靠性、安全、尺寸和成本所有都是重要的设计考虑。
可靠性非常重要，这是因为过程流体测量系统的使用期可以大约为30年。此外，出故障的单元通常不能被容易地更换或修理。进一步地，提供可以更换的单元可能会导致这种设计的成本非常高并且更换过程本身可能会产生超过百万美元的成本。
安全是重要的，这是因为关键是容纳压力和过程流体。海底过程流体压力测量系统通常在过程流体与海水之间需要两个压力屏障。
尺寸是另一个重要的设计考虑。通常，较小的部件和系统是优选的，这是因为其更容易保持压力。进一步地，通过较小设计，其它仪器和装置具有更多的空间。仍然进一步地，假设使用相对独特的材料以抵抗海底环境中的腐蚀，则较小的设计有助于降低成本。
因此，本发明的实施例总体提供一种与之前的装置相比成本较低、安全并且更加可靠的极高整体性的高压变送器。本发明的实施例总体使用适用于与过程流体本身直接接触的小的单晶压力传感器。这种压力传感器是公知的。例如，由蓝宝石构造而成的压力传感器已经被明尼苏达州Chanhassen市的Emerson Process Management使用。这些传感器可以经受高压和高温。此外，蓝宝石压力传感器可以被设置成用于与过程流体直接接触。蓝宝石压力传感器通常能够具有可以集成到过程船舶(例如，管或流动元件)中的独特体系结构。这种体系结构的优点在于过程压力被较好地容纳在容器内。虽然总体相对于由单晶材料形成的压力传感器描述了本发明的实施例，但是可以通过安装到如下所述的基板的任何压力传感器实施本发明的实施例。
图1是本发明的实施例具体地使用的由单晶材料形成的压力传感器的图解立体图。如图1所示的压力传感器10是已知的。例如，美国专利No.6,520,020公开了这样一种传感器。在图1的右侧是在附图标记12处被示意性地图示的过程压力。过程流体压力在由箭头14所示的方向上作用以压缩基板16，其中所述基板16在一个实施例中由蓝宝石形成。蓝宝石基板16的这种压缩导致蓝宝石基板的层16、17之间的距离改变。导体19、21被沉积在压力传感器的内侧表面上，使得蓝宝石基板16、17的偏转导致导体19、21之间的电容的变化。通过连接到电端子18的适当电路检测电容的这种变化。过程屏障20在图1的中间被示出。这可以是管或罐壁，但是通常是可以焊接到过程管道或罐中的结构或容纳过程流体12的任何其它结构。压力传感器10穿过过程屏障20中的孔口并然后被铜焊到如由附图标记22和24所示的位置。图1的左侧是如由附图标记25表示的名义上的大气压力，在所述大气压力中设置电端子18。此外，在一些实施例中，压力传感器10可以包括诸如电阻温度检测器的温度传感器，所述温度传感器提供随着过程流体温度变化的诸如电阻之类的电指示。
在可从Emerson Process Management获得的以商业名称Model 4600出售的压力传感器10的商业上可用的实施方案中，过程膜片是分离过程流体与充油容器的主压力屏障。充油容器内的油接触蓝宝石基板16、17。在这种情况下，过程膜片是主压力屏障，而铜焊馈通是辅助压力屏障。两个屏障都可以承受极高的压力。因此，认为蓝宝石铜焊屏障是有效的压力屏障，这部分地是因为蓝宝石铜焊屏障被证明成本低且小。然而，在不使用隔离或过程膜片或隔离或过程膜片太大或太贵的实施例中，允许过程流体压力传感器10直接接触过程介质将使铜焊馈通变成主压力屏障。在高整体性过程压力测量环境中，仍然需要具有辅助压力屏障。
图2示出了在压力测量环境中使用的具有一对压力屏障的单晶蓝宝石传感器。如图2所示，压力传感器的检测部分与图1所示的检测部分大致相同。此外，穿过过程流体容器壁20的铜焊连接也是类似的。然而，设置了辅助壁30，压力传感器还穿过该辅助壁30。还设置了与这种屏障的铜焊连接。虽然这种结构表示高整体性双压力屏障系统，但是该高整体性双压力屏障系统也存在各种缺陷。第一缺陷是由铜焊金属屏障与单晶材料之间的温度变化导致的轴向应力可能会类似地导致灾难性的故障。第二缺陷在于，在共模蓝宝石传感器出现故障的情况中，如顶部传感器半与底部传感器半之间出现泄漏时，屏障本身不能保持压力。
图3是根据本发明的一个实施例的高压、高整体性过程流体压力探头的图解视图。如图3所示，通过在两个压力屏障之间强加一间隙41来解决以上相对于图2所述的双压力屏障实施例的问题。在该实施例中，过程流体12直接作用在基板40和过程容器42的内部上。传感器40穿过过程流体容器42的孔口，并在连接部44处铜焊到过程流体容器42。第二过程容纳结构示意性地由附图标记46表示，并且设置了延伸穿过46中的孔口的单晶材料馈通48。馈通48被以与传感器40铜焊到过程容器42的壁相同的方式被铜焊到壁46。在结构48与传感器40之间提供电气互连50。依此方式，第二压力屏障48可以通过适当数量的连接部被构件在简单的、较小的结构上。关于图4示出了用于结构48的一种适当布置。馈通50包括穿过辅助压力屏障46中的孔口的单晶基板。基板50包括被构造成经由焊接或任何其它适当的方式连接到导体50(图3中被示出)的多个导电焊盘52。基板5()上的迹线或其它适当的结构51将焊盘52连接到被构造成连接到多个导体的相应焊盘54，所述多个导体最终连接到过程压力变送器(图5中所示)。基板50通过例如铜焊的任何适当的方式在穿过屏障46的孔口处被密封到屏障46。
然而，返回参照图3，不同于馈通50的第二结构48还可以包括检测第一屏障的故障的传感器。用于结构48的适当传感器包括压力传感器或表面阻力传感器。因此，如果过程流体将穿过传感器40或破坏铜焊连接44，则壁42与46之间的压力将会增加。辅助传感器将因此对这种压力和/或过程流体的存在作出响应。
图5是根据本发明的一个实施例的高压、高整体性单晶压力传感器探头的图解剖视图。探头100连接到变送器90，并且安装到过程屏障102并延伸通过过程屏障102，所述过程屏障102可以是管道壁或罐壁。在图5所示的实施例中，变送器90连接到单个探头，然而，变送器90可以连接到根据本发明的实施例的任何适当数量的高压、高整体性探头。例如，使用一对这种探头允许变送器90提供差压的指示、或绝对压力或表压的冗余指示。使用三个这种探头提供至少一些冗余性以及提供差压的能力。变送器90可以是当前公知或随后发展的任何适当的压力变送器。探头100连接到变送器90内的适当电子元件。电子元件被构造成测量探头100的压力传感器的变化的电气特征以确定过程流体压力。此外，所述电子元件优选地包括经由诸如高速可寻址远程变换器()回路或FOUNDATIONTM现场总线段的过程通信回路发送或以其它方式传输指示压力的数字信息的控制器电子元件。在一些实施例中，变送器90可以被回路供电，并因此可以通过它在其上进行通信的相同导体被供电。
探头100包括外管104，所述外管104在近端处连接到焊接环106而在远端处连接到过程接口筛网108。过程接口筛网108被设置成用于与过程流体110直接接触，但是防止单晶压力传感器112不会由于过程流体流内的颗粒和/或固体的移动而损坏。内管114设置在外管104内并延伸到辅助屏障116。辅助屏障116是通过将金属盘118焊接到内管114的端部120而形成的。优选地由蓝宝石形成的单晶体互连件122穿过盘120并被铜焊到盘120。互连件122提供导体124与导体126之间的电连接，同时穿过高压、高整体性压力屏障116。类似地，压力传感器组件128包括焊接到管形构件的盘130，所述管形构件本身焊接到盘118。进一步地，盘130包括压力传感器112穿过的孔口。压力传感器112被铜焊在该孔口内以形成另一个压力屏障。此外，如图5所示，在单晶互连件122和传感器112之间没有刚性互连件。
图6是根据本发明的一个实施例的高压、高整体性过程流体压力探头的图解分解图。组装探头的过程包括组装传感器组件128。传感器组件128由三个不同部件形成。首先，提供盘130，该盘130具有穿过所述盘的孔口。接下来，压力传感器112通过穿过盘130的孔口，并且压力传感器112被铜焊到盘130。接下来，传感器组件管132在焊缝129处被焊接到盘130以完成压力传感器组件128。传感器组件管132在一个实施例中具有与内管114的外径相同的外径。过程接口筛网108在附图标记140所示的位置(图5中所示)被焊接到传感器组件128。接下来，通过将单个晶体互连件122铜焊到金属盘120形成辅助障碍116。传感器组件128接着在焊缝142处(图5中所示)焊接到屏障组件116。接下来，屏障组件116在附图标记144所示的位置处(图5中所示)被焊接到内管114的端部。外管104接着在其远端131处经由焊缝146(图5中所示)连接到传感器组件128。接下来，外管104的近端133在焊缝148(图5中所示)处焊接到焊接环106。焊接环106也在焊缝处焊接到内管114。管104的外径接着在焊缝150(图5中所示)处焊接到焊接环106。接下来，内管114的内径在焊缝152(图5中所示)处焊接到焊接环106。
如图6中所示，内管114没有被过程流体接触到，并因此可以由诸如316不锈钢之类的任何适当的标准材料制成。外管104被过程润湿，并因此由诸如铬镍铁合金(Inconel)或合金C276之类的更昂贵的特殊材料制成。合金C276是适用于腐蚀流体的材料的一个示例。合金C276可以以商业名称Hastelloy C276从印度的Kokomo的Haynes International Inc.得到。合金C276具有如下化学成分(按重量百分比)：钼15.0-17.0；铬14.5-16.5；铁4.0-7.0；钨3.0-4.5；钴2.5(最大值)；锰1.0(最大值)；钒0.35(最大值)；石墨0.01(最大值)；磷0.04(最大值)；硫磺0.03(最大值)；硅0.08(最大值)；以及平衡镍。合金C276提供对腐蚀性应用的极好耐腐蚀性和非常高的强度。外管104可以由直径较小和较薄的材料制成，这是因为传感器112较小，并且因为内管114有助于支撑压力载荷。此外，机械加工廉价，这是因为这些部件可以被车削。
一旦完成探头100的组装，则可以将探头100安装在管道或其它适当的导管中。为了进行此，焊接环106在焊缝154(图5中所示)处焊接到过程流体导管。这产生用于高压过程测量环境的双压力屏障、高整体性压力探头。过程接口优选地是筛网或类似结构的组件。
本发明的实施例可以包括充油系统(如图7中所示)或过程流体直接接触压力传感器(如图5中所示)的系统的使用。对于充油系统来说，主压力屏障由过程膜片和焊缝140、146和150构成。辅助压力屏障由传感器组件铜焊和喊分142、144、148、152和154构成。对于少油系统来说，传感器组件铜焊接头变成主压力屏障的一部分，而单晶材料屏障铜焊接头变成辅助压力屏障的一部分。本发明的实施例的重要方面是使用内管/外管组合。这能够提供显著降低成本、实现小尺寸以及冗余的压力屏障。这些管的长度容易被定制并能够安装到不同尺寸的容器中。此外，焊接环106能够使组件被直接焊接到容器中，而成本不高且不需要法兰安装单元所需的空间。然而，如果终端用户要求法兰组件，则焊接环可以被法兰替换。
图7是根据本发明的一个实施例的高整体性、高压探头的横截面图解视图。探头200包括过程接口筛网202，所述过程接口筛网202具有穿过所述过程接口筛网的多个孔口204。在区域206内，过程流体接触薄片隔离器208。过程流体支承在隔离膜片208上并给区域212中的填充流体210加压。区域212经由通路214、216以流体连通的方式连接到紧邻单晶压力传感器220的区域218。这样，作用在隔离膜片208上的过程流体压力在传感器220上产生相应的压力。
隔离筛网202在焊缝223处焊接到隔离塞222。隔离塞222分别在焊缝225、227处焊接到内导管224和外导管226(例如，管)。此外，隔离塞222也在附图标记228的位置处焊接到锥形压力传感器模块230。锥形压力传感器模块230包括一孔口，压力传感器220通过所述孔口被插入。压力传感器220被铜焊到其上的盘接着焊接到锥形模块230以产生密封室，所述密封室内的压力传感器220将检测过程流体压力。可以以任何适当的方式形成压力传感器220上的电端子，包括使用陶瓷铅延伸器、或任何其它适当的电导体。内导管224和外导管226中的每一个也都焊接到法兰232，所述法兰232可以以任何适当的方式连接到过程。
在一个实施例中，由附图标记240以阴影所示的诸如应变仪之类的适当检测结构连接到内导管224的内表面。因此，如果焊缝227失效或出现故障并且过程流体进入外导管226和内导管224之间的区域，则过程流体的压力将使内导管224受到应变。可通过应变仪240检测这种应变，并因此还可以在辅助压力屏障出现故障之前可以进行补救动作。
虽然描述参照优选的实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员将认识到，在不背离本发明的精神和保护范围的情况下可以在形式和详细上进行改变。

Claims (18)

1.一种过程流体压力测量探头，包括：
压力传感器，所述压力传感器由单晶材料形成并安装到第一金属过程流体屏障且被设置成用于与过程流体直接接触，所述压力传感器具有随着过程流体压力变化的电气特征；
馈通，所述馈通由单晶材料形成并具有从第一端部延伸到第二端部的多个导体，该馈通被铜焊到第二金属过程流体屏障并与压力传感器间隔开但电连接到压力传感器；以及
电气互连，该电气互连设置在馈通和压力传感器之间并互连馈通和压力传感器，
其中压力传感器和所述馈通被安装成使得第二金属过程流体屏障通过第一金属过程流体屏障与过程流体隔离。
2.根据权利要求1所述的过程流体压力测量探头，其中压力传感器被铜焊到第一金属过程流体屏障。
3.根据权利要求1所述的过程流体压力测量探头，其中所述单晶材料是蓝宝石。
4.根据权利要求1所述的过程流体压力测量探头，其中所述电气特征是电容。
5.根据权利要求1所述的过程流体压力测量探头，其中所述馈通包括被构造以检测第一金属过程流体压力屏障的故障的第二传感器。
6.根据权利要求5所述的过程流体压力测量探头，其中第二传感器是压力传感器。
7.根据权利要求1所述的过程流体压力测量探头，其中第一金属过程流体压力屏障被焊接到外金属导管，所述外金属导管的尺寸被形成为通过过程流体的导管中的孔口。
8.根据权利要求7所述的过程流体压力测量探头，其中第二金属过程流体屏障被焊接到内金属导管，所述内金属导管的尺寸被形成为配合在外金属导管内。
9.根据权利要求8所述的过程流体压力测量探头，进一步包括焊接环，所述焊接环被焊接到内金属导管和外金属导管。
10.根据权利要求9所述的过程流体压力测量探头，其中内金属导管由不同于外金属导管的金属形成。
11.根据权利要求8所述的过程流体压力测量探头，进一步包括被焊接到第一金属过程流体屏障和第二金属过程流体屏障的传感器组件管。
12.根据权利要求11所述的过程流体压力测量探头，进一步包括被焊接到第一金属过程流体屏障的过程接口筛网。
13.一种过程流体压力测量系统，包括：
过程压力变送器，所述过程压力变送器被构造成测量至少一个压力传感器的电气特征并经由过程通信回路提供与至少一个测量值有关的过程压力输出；
连接到过程压力变送器的过程流体压力测量探头，所述过程流体压力测量探头包括：
压力传感器，所述压力传感器由单晶材料形成并安装到第一金属过程流体屏障且被设置成用于与过程流体直接接触，该压力传感器具有随着过程流体压力变化的电气特征；
馈通，所述馈通由单晶材料形成并具有从第一端部延伸到第二端部的多个导体，该馈通被铜焊到第二金属过程流体屏障并与压力传感器间隔开但电连接到压力传感器；和
电气互连，该电气互连设置在馈通和压力传感器之间并互连馈通和压力传感器，并且
其中压力传感器和所述馈通被安装成使得第二金属过程流体屏障通过第一金属过程流体屏障与过程流体隔离。
14.根据权利要求13所述的过程流体压力测量系统，进一步包括连接到过程流体压力变送器的第二过程流体压力测量探头，第二过程流体压力测量探头包括：
压力传感器，所述压力传感器由单晶材料形成并安装到第一金属过程流体屏障且被设置成用于与过程流体直接接触，该压力传感器具有随着过程流体压力变化的电气特征；
馈通，所述馈通由单晶材料形成并具有从第一端部延伸到第二端部的多个导体，该馈通安装到第二金属过程流体屏障并与压力传感器间隔开但电连接到压力传感器；和
附加的电气互连，该附加的电气互连设置在第二过程流体压力测量探头的馈通和压力传感器之间并互连第二过程流体压力测量探头的馈通和压力传感器，并且
其中第二过程流体测量探头的压力传感器和馈通被安装成使得第二金属过程流体屏障通过第一金属过程流体屏障与过程流体隔离。
15.根据权利要求14所述的过程流体压力测量系统，其中压力传感器还包括温度灵敏元件，所述温度灵敏元件将过程流体温度的指示提供至过程流体压力变送器。
16.一种过程流体压力测量探头，包括：
压力传感器，所述压力传感器安装到第一金属过程流体屏障并具有随着过程流体压力变化的电气特征；
馈通，所述馈通由单晶材料形成并具有从第一端部延伸到第二端部的多个导体，该馈通被铜焊到第二金属过程流体屏障并与压力传感器间隔开但电连接到压力传感器；和
电气互连，该电气互连设置在馈通和压力传感器之间并互连馈通和压力传感器，并且
其中压力传感器和所述馈通被安装成使得第二金属过程流体屏障通过第一金属过程流体屏障与过程流体隔离。
17.根据权利要求16所述的过程流体压力测量探头，其中压力传感器由单晶材料形成。
18.根据权利要求16所述的过程流体压力测量探头，其中压力传感器适于与过程流体直接接触。
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